Linux 上的 C/C++ 编译器和调试器

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1.7  Linux 上的 C/C++ 编译器和调试器

• 运行 gcc/egcs

• gcc/egcs 的主要选项

• gdb

• gdb 的常用命令

• gdb 使用范例

• 其他程序/库工具 (ar, objdump, nm, size, strings, strip, ...)

• 创建和使用静态库
• 创建和使用共享库
• 使用高级共享库特性

1.7.1  运行 gcc/egcs

Linux 中最重要的软件开发工具是 GCC。GCC 是 GNU 的 C 和 C++ 编译器。实际上，GCC 能够编译三种语言：C、C++ 和 Object C（C 语言的一种面向对象扩展）。利用 gcc 命令可同时编译并连接 C 和 C++ 源程序。

#DEMO#: hello.c

如果你有两个或少数几个 C 源文件，也可以方便地利用 GCC 编译、连接并生成可执行文件。例如，假设你有两个源文件 main.c 和 factorial.c 两个源文件，现在要编译生成一个计算阶乘的程序。

-----------------------清单 factorial.c-----------------------#include <stdio.h>#include <stdlib.h>int factorial (int n){    if (n <= 1)        return 1;    else        return factorial (n - 1) * n;}----------------------------------------------清单  main.c-----------------------#include <stdio.h>#include <stdlib.h>int factorial (int n);int main (int argc, char **argv){    int n;    if (argc < 2) {        printf ("Usage: %s n/n", argv [0]);        return -1;    }    else {        n = atoi (argv[1]);        printf ("Factorial of %d is %d./n", n, factorial (n));    }    return 0;}-----------------------利用如下的命令可编译生成可执行文件，并执行程序：$ gcc -o factorial main.c factorial.c$ ./factorial 5Factorial of 5 is 120.

GCC 可同时用来编译 C 程序和 C++ 程序。一般来说，C 编译器通过源文件的后缀名来判断是 C 程序还是 C++ 程序。在 Linux 中，C 源文件的后缀名为 .c，而 C++ 源文件的后缀名为 .C 或 .cpp。

但是，gcc 命令只能编译 C++ 源文件，而不能自动和 C++ 程序使用的库连接。因此，通常使用 g++ 命令来完成 C++ 程序的编译和连接，该程序会自动调用 gcc 实现编译。假设我们有一个如下的 C++ 源文件（hello.C）：

#include <iostream.h>void main (void){    cout << "Hello, world!" << endl;}

则可以如下调用 g++ 命令编译、连接并生成可执行文件：

$ g++ -o hello hello.C$ ./helloHello, world!

1.7.2  gcc/egcs 的主要选项

                表 1-3  gcc 命令的常用选项选项                解释-ansi               只支持 ANSI 标准的 C 语法。这一选项将禁止 GNU C 的某些特色，                    例如 asm 或 typeof 关键词。-c                  只编译并生成目标文件。-DMACRO             以字符串“1”定义 MACRO 宏。-DMACRO=DEFN        以字符串“DEFN”定义 MACRO 宏。-E                  只运行 C 预编译器。-g                  生成调试信息。GNU 调试器可利用该信息。-IDIRECTORY         指定额外的头文件搜索路径DIRECTORY。-LDIRECTORY         指定额外的函数库搜索路径DIRECTORY。-lLIBRARY           连接时搜索指定的函数库LIBRARY。-m486               针对 486 进行代码优化。-o FILE             生成指定的输出文件。用在生成可执行文件时。-O0                 不进行优化处理。-O 或 -O1           优化生成代码。-O2                 进一步优化。-O3                 比 -O2 更进一步优化，包括 inline 函数。-shared             生成共享目标文件。通常用在建立共享库时。-static             禁止使用共享连接。-UMACRO             取消对 MACRO 宏的定义。-w                  不生成任何警告信息。-Wall               生成所有警告信息。

#DEMO#

MiniGUI 的编译选项

1.7.3  gdb

GNU 的调试器称为 gdb，该程序是一个交互式工具，工作在字符模式。在 X Window 系统中，有一个 gdb 的前端图形工具，称为 xxgdb。gdb 是功能强大的调试程序，可完成如下的调试任务：* 设置断点；* 监视程序变量的值；* 程序的单步执行；* 修改变量的值。在可以使用 gdb 调试程序之前，必须使用 -g 选项编译源文件。可在 makefile 中如下定义 CFLAGS 变量：CFLAGS = -g运行 gdb 调试程序时通常使用如下的命令：gdb progname在 gdb 提示符处键入help，将列出命令的分类，主要的分类有：* aliases：命令别名* breakpoints：断点定义；* data：数据查看；* files：指定并查看文件；* internals：维护命令；* running：程序执行；* stack：调用栈查看；* statu：状态查看；* tracepoints：跟踪程序执行。键入 help 后跟命令的分类名，可获得该类命令的详细清单。

#DENO#

1.7.4  gdb 的常用命令

                表 1-4  常用的 gdb 命令命令                        解释break NUM               在指定的行上设置断点。bt                      显示所有的调用栈帧。该命令可用来显示函数的调用顺序。clear                   删除设置在特定源文件、特定行上的断点。其用法为：clear FILENAME:NUM。continue                继续执行正在调试的程序。该命令用在程序由于处理信号或断点而                        导致停止运行时。display EXPR            每次程序停止后显示表达式的值。表达式由程序定义的变量组成。file FILE               装载指定的可执行文件进行调试。help NAME               显示指定命令的帮助信息。info break              显示当前断点清单，包括到达断点处的次数等。info files              显示被调试文件的详细信息。info func               显示所有的函数名称。info local              显示当函数中的局部变量信息。info prog               显示被调试程序的执行状态。info var                显示所有的全局和静态变量名称。kill                    终止正被调试的程序。list                    显示源代码段。make                    在不退出 gdb 的情况下运行 make 工具。next                    在不单步执行进入其他函数的情况下，向前执行一行源代码。print EXPR              显示表达式 EXPR 的值。
1.7.5  gdb 使用范例
-----------------清单  一个有错误的 C 源程序 bugging.c-----------------#include <stdio.h>#include <stdlib.h>static char buff [256];static char* string;int main (){    printf ("Please input a string: ");    gets (string);    printf ("/nYour string is: %s/n", string);}-----------------上面这个程序非常简单，其目的是接受用户的输入，然后将用户的输入打印出来。该程序使用了一个未经过初始化的字符串地址 string，因此，编译并运行之后，将出现 Segment Fault 错误：$ gcc -o test -g test.c$ ./testPlease input a string: asfdSegmentation fault (core dumped)为了查找该程序中出现的问题，我们利用 gdb，并按如下的步骤进行：1．运行 gdb bugging 命令，装入 bugging 可执行文件；2．执行装入的 bugging 命令；3．使用 where 命令查看程序出错的地方；4．利用 list 命令查看调用 gets 函数附近的代码；5．唯一能够导致 gets 函数出错的因素就是变量 string。用 print 命令查看 string 的值；6．在 gdb 中，我们可以直接修改变量的值，只要将 string 取一个合法的指针值就可以了，为此，我们在第 11 行处设置断点；7．程序重新运行到第 11 行处停止，这时，我们可以用 set variable 命令修改 string 的取值；8．然后继续运行，将看到正确的程序运行结果。
#DEMO#
1.7.6  其他程序/库工具
strip：
nm：
size：
string：
1.7.7  创建和使用静态库
创建一个静态库是相当简单的。通常使用 ar 程序把一些目标文件（.o）组合在一起，成为一个单独的库，然后运行 ranlib，以给库加入一些索引信息。
1.7.8  创建和使用共享库
特殊的编译和连接选项
-D_REENTRANT         使得预处理器符号 _REENTRANT 被定义，这个符号激活一些宏特性。-fPIC                选项产生位置独立的代码。由于库是在运行的时候被调入，因此这个                     选项是必需的，因为在编译的时候，装入内存的地址还不知道。如果                     不使用这个选项，库文件可能不会正确运行。-shared              选项告诉编译器产生共享库代码。-Wl,-soname          -Wl 告诉编译器将后面的参数传递到连接器。而 -soname 指定了                     共享库的 soname。
    ＃ 可以把库文件拷贝到 /etc/ld.so.conf 中列举出的任何目录中，并以 root 身份运行 ldconfig；或者    ＃ 运行 export LD_LIBRARY_PATH='pwd'，它把当前路径加到库搜索路径中去。
1.7.9  使用高级共享库特性
1. ldd 工具
ldd 用来显示执行文件需要哪些共享库, 共享库装载管理器在哪里找到了需要的共享库.
2. soname
共享库的一个非常重要的，也是非常难的概念是 soname——简写共享目标名（short for shared object name）。这是一个为共享库（.so）文件而内嵌在控制数据中的名字。如前面提到的，每一个程序都有一个需要使用的库的清单。这个清单的内容是一系列库的 soname，如同 ldd 显示的那样，共享库装载器必须找到这个清单。
soname 的关键功能是它提供了兼容性的标准。当要升级系统中的一个库时，并且新库的 soname 和老的库的 soname 一样，用旧库连接生成的程序，使用新的库依然能正常运行。这个特性使得在 Linux 下，升级使用共享库的程序和定位错误变得十分容易。 
在 Linux 中，应用程序通过使用 soname，来指定所希望库的版本。库作者也可以通过保留或者改变 soname 来声明，哪些版本是相互兼容的，这使得程序员摆脱了共享库版本冲突问题的困扰。
查看/usr/local/lib 目录，分析 MiniGUI 的共享库文件之间的关系
3. 共享库装载器
当程序被调用的时候，Linux 共享库装载器（也被称为动态连接器）也自动被调用。它的作用是保证程序所需要的所有适当版本的库都被调入内存。共享库装载器名字是 ld.so 或者是 ld-linux.so，这取决于 Linux libc 的版本，它必须使用一点外部交互，才能完成自己的工作。然而它接受在环境变量和配置文件中的配置信息。
文件 /etc/ld.so.conf 定义了标准系统库的路径。共享库装载器把它作为搜索路径。为了改变这个设置，必须以 root 身份运行 ldconfig 工具。这将更新 /etc/ls.so.cache 文件，这个文件其实是装载器内部使用的文件之一。
可以使用许多环境变量控制共享库装载器的操作（表1-4+）。
                        表 1-4+ 共享库装载器环境变量变量                       含义LD_AOUT_LIBRARY_PATH       除了不使用 a.out 二进制格式外，与 LD_LIBRARY_PATH 相同。LD_AOUT_PRELOAD            除了不使用 a.out 二进制格式外，与 LD_PRELOAD 相同。LD_KEEPDIR                 只适用于 a.out 库；忽略由它们指定的目录。LD_LIBRARY_PATH            将其他目录加入库搜索路径。它的内容应该是由冒号                           分隔的目录列表，与可执行文件的 PATH 变量具有相同的格式。                           如果调用设置用户 ID 或者进程 ID 的程序，该变量被忽略。LD_NOWARN                  只适用于 a.out 库；当改变版本号是，发出警告信息。LD_PRELOAD                 首先装入用户定义的库，使得它们有机会覆盖或者重新定义标准库。                           使用空格分开多个入口。对于设置用户 ID 或者进程 ID 的程序，                           只有被标记过的库才被首先装入。在 /etc/ld.so.perload 中指定                           了全局版本号，该文件不遵守这个限制。
4. 使用 dlopen
    另外一个强大的库函数是 dlopen()。该函数将打开一个新库，并把它装入内存。该函数主要用来加载库中的符号，这些符号在编译的时候是不知道的。比如 Apache Web 服务器利用这个函数在运行过程中加载模块，这为它提供了额外的能力。一个配置文件控制了加载模块的过程。这种机制使得在系统中添加或者删除一个模块时，都不需要重新编译了。
    可以在自己的程序中使用 dlopen()。dlopen() 在 dlfcn.h 中定义，并在 dl 库中实现。它需要两个参数：一个文件名和一个标志。文件名可以是我们学习过的库中的 soname。标志指明是否立刻计算库的依赖性。如果设置为 RTLD_NOW 的话，则立刻计算；如果设置的是 RTLD_LAZY，则在需要的时候才计算。另外，可以指定 RTLD_GLOBAL，它使得那些在以后才加载的库可以获得其中的符号。
    当库被装入后，可以把 dlopen() 返回的句柄作为给 dlsym() 的第一个参数，以获得符号在库中的地址。使用这个地址，就可以获得库中特定函数的指针，并且调用装载库中的相应函数。